液壓轉向器異響問題分析和改進

朱勝峰，鄒理炎，朱興旺，張新聞

（1.杭州世寶汽車方向機有限公司，浙江 杭州 310018；2.浙江科技學院，浙江 杭州 310018）

0 引言

近些年來，眾多商用車用戶對整車舒適性要求越來越高，為了能在競爭中獲得更多市場份額，整車廠和配套廠都要求商用車的用戶體驗能轎車化。對轉向系統而言，對其操縱性、舒適性、輕便性提出了更高的要求，商用汽車轉向系統中的核心零部件是液壓動力轉向器，它的性能關乎整個轉向系統，因此轉向響應、回正、轉向手感、異響等問題的研究隨之而來。而轉向器異響問題是以上幾個問題中較難解決的，它是一個系統性的問題，按照異響來源可以分為機械異響和液壓異響兩大類[1]。機械異響主要是轉向系統某一部件存在自身干涉或者傳動桿系剛度不夠，在受到較大載荷突然釋放時，桿系因彈性變形復位造成異響；而液壓異響一般會出現在打轉向時，轉向到某一個角度再回打方向時產生液壓共振聲，以上兩種異響出現時往往會伴隨著轉向盤有“麻手”現象。相比于液壓異響，機械異響的問題容易排查且好解決，本文將從液壓異響的角度對轉向器異響問題進行分析和改進[2]。

1 液壓轉向系統介紹

如圖1 所示，液壓轉向系統主要由轉向盤、轉向軸、轉向器、油泵、油罐、拉桿、轉向輪等組成，轉向盤作旋轉運動時通過轉向軸驅動轉向器輸入端，經過轉向器減速后在輸出端輸出較大的扭矩，從而由拉桿帶動轉向輪作擺動運動，液壓回路是給轉向器根據路面阻力的需要提供足夠的動力，可以使轉向更輕便靈敏。

圖1 液壓轉向器系統

2 液壓異響的故障分析及改善措施

2.1 液壓異響故障分析

車輛在行駛過程中，輪胎受到地面的反作用力，該作用力通過轉向拉桿傳遞到轉向系統上，但是因為方向盤自身慣性以及駕駛員對方向盤的作用力，轉向軸存在繼續保持靜止的慣性，此時轉向器零部件也要在力的作用下產生異響。

液壓轉向器的轉向過程，實際上是一個建壓的過程，由于輪胎與地面的摩擦阻力是隨著擺角增大而增大的，所以轉向系統的油壓也會逐步加大，在此過程中，如果建壓不順暢，轉向器的輸出扭矩就不足以克服地面的摩擦阻力，此時油泵就會出現振動而產生異響[3]。

駕駛員駕駛過程中松開方向盤或突然回打轉向時，轉向器轉閥突然變化使得液流的壓力和方向也突然改變，隨之引起系統回路中壓力瞬間急劇變化，此時轉向器轉閥在相對轉動的過程中受液流沖擊容易振動從而產生異響，又由于轉向器壓力突然變化，易引發轉向系統的其他部件振動，當其振動頻率與某一部件的振動頻率一致時，就會產生液壓共振，從而出現異響，為了降低壓力變化速度，可以通過降低轉閥靈敏度曲線的斜率來實現。轉向器轉閥靈敏度曲線示意圖（圖2），其大致理論計算如下。

圖2 靈敏度曲線

從式（2）可以看出，壓力p與A0成反比，在打方向的過程中，A0是一個動態的變化值，A0的變化情況關系著曲線形狀，A0的數值是圖3 點A和點B之間的距離乘以閥口長度，通過改變圖3 中的α和R2值就改變A0的變化過程，即改變轉閥特性曲線的斜率。

圖3 轉閥閥口參數

因此為避免或抑制轉向系統產生異響，從轉向器原理的角度提出一些改善措施。

2.2 改善措施

解決液壓異響的出發點是降低液壓沖擊[4]，常見的方法有提高轉閥扭桿剛度（圖4）、適當加大背壓（圖5）、加大阻尼系數（圖6）或者通過改變轉閥閥口參數（圖7）來降低靈敏度斜率。

圖4 表明，若扭桿剛度偏小，在松開方向盤或突然回打方向時，由于轉閥突然改變了液流的壓力和方向，系統回路中壓力瞬間急劇變化，扭桿就容易會因此而出現高頻振擺，通過適當增加扭桿的直徑，即增加，可以加大剛度以提高扭桿抗振性，減少異響[5]。

圖4 轉閥扭桿

如圖5 所示，保證最小過流面積的前提下，通過適當減小閥芯回油孔徑，即增加回油阻力，減弱液流沖擊引起的振動，減少異響。

圖5 轉閥內部結構圖

如圖6 所示，適當加大阻尼系數，在閥芯和閥套之間裝有一個阻尼圈和阻尼環，其作用是吸收閥芯在液流沖擊下的振動。通過選取合適尺寸增加其阻尼效果，可以有效地降低系統噪音，增強轉閥組件的抗振能力，抑制異響的產生。

圖6 轉閥示意圖

如圖7 所示，是改進前后的轉閥靈敏度曲線對比，通過降低靈敏度曲線的斜率，來減慢壓力上升或下降的速度，緩解回路中壓力瞬間急劇變化，減少液壓沖擊，從而減少振動異響。

圖7 靈敏度曲線

3 試驗驗證

如圖8 所示，為了驗證上述的故障分析和改進措施，按上述四種措施分別制作了改進后的轉向器樣件，在臺架上進行轉向器異響試驗[6]。

圖8 轉向器臺架試驗中

臺架試驗設定在一個靜音室里[5]，搭建一個安裝轉向器的臺架，施加的載荷和油源全部置于靜音室外，通過外接的方法將加載缸和油源布入靜音室，然后在轉向器的不同位置貼上加速度傳感器，分別采集以上四種措施改進前后轉向器不同位置的振動頻譜，可以得知改進是否有效。

圖9 可以看出，改進前狀態下，轉向器閥體處加速度達到16 m/s2，主觀評價異響明顯；改進后轉向器閥體處的加速度明顯降低為6 m/s2左右，主觀評價無異響，此時客觀和主觀的評價結果相吻合。可以得出經過改善措施后的轉向器效果完全達到了預期，有效減少了整車轉向異響的問題。

圖9 原始試驗曲線和改進后試驗曲線

4 結論

綜上可知，通過以上四種改善措施可以有效減少液壓轉向系統異響，具有周期短、成本低、實用性高等優點，值得推廣。